《通信原理》第1章

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1、,第,1,章 緒論,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,通信原理,第,1,章 緒論,第,1,章 緒論,1.1,通信的基本概念,通信的目的：傳遞,消息,中所包含的,信息,。,消息,：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語(yǔ)音、文字、音樂(lè)、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。,信息,：是消息中包含的有效內(nèi)容。,實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：,非電的：如旌旗、消息樹(shù)、烽火臺(tái),電的：如電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測(cè)、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信等。,第,1,章 緒論,電信發(fā)明史,1837,年：莫爾斯發(fā)明有線電報(bào),1876,年：貝爾發(fā)明有線電話,1918,年：調(diào)幅無(wú)線電廣播、超外差接收機(jī)問(wèn)世,1936,年

2、：商業(yè)電視廣播開(kāi)播,后面講述中，“通信”這一術(shù)語(yǔ)是指“電通信”，包括光通信，因?yàn)楣庖彩且环N電磁波。,在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過(guò)電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,第,1,章 緒論,1.2,通信系統(tǒng)的組成,1.2.1,通信系統(tǒng)的一般模型,信息源,（簡(jiǎn)稱(chēng)信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。,發(fā)送設(shè)備,：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。,信道,：將來(lái)自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無(wú)線信道兩大類(lèi)。,噪聲源,：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。,第,1,章 緒論,接收設(shè)備：從受到減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。,受信者（信宿）：把原始電信號(hào)還原成

3、相應(yīng)的消息，如揚(yáng)聲器等。,第,1,章 緒論,1.2.2,模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型,模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),模擬信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓：,(a),話音信號(hào),(b),抽樣信號(hào),圖,1-2,模擬信號(hào),第,1,章 緒論,數(shù)字信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值為有限個(gè)，例如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入輸出信號(hào)：,通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。,(a),二進(jìn)制信號(hào),(b)2PSK,信號(hào),圖,1-3,數(shù)字信號(hào),第,1,章 緒論,模擬通信系統(tǒng)模型,模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)：,兩種變換：,模擬消息,原始電

4、信號(hào)（基帶信號(hào)）,基帶信號(hào),已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)）,圖,1-4,模擬通信系統(tǒng)模型,第,1,章 緒論,數(shù)字通信系統(tǒng)模型,數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng),信源編碼與譯碼目的：,提高信息傳輸?shù)挠行?完成模,/,數(shù)轉(zhuǎn)換,信道編碼與譯碼目的：增強(qiáng)抗干擾能力,加密與解密目的：保證所傳信息的安全,數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào),同步目的：使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致,圖,1-5,數(shù)字通信系統(tǒng)模型,第,1,章 緒論,1.2.3,數(shù)字通信的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn),抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累,傳輸差錯(cuò)可控,便于處理、變換、存儲(chǔ),便于將來(lái)自不同信源的信號(hào)綜合到一起傳輸,易于集成，使通

5、信設(shè)備微型化，重量輕,易于加密處理，且保密性好,缺點(diǎn)：,需要較大的傳輸帶寬,對(duì)同步要求高,第,1,章 緒論,1.3,通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式,1.3.1,通信系統(tǒng)的分類(lèi),按通信業(yè)務(wù)分類(lèi)：電報(bào)通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng),按調(diào)制方式分類(lèi)：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（調(diào)制）傳輸系統(tǒng),調(diào)制傳輸系統(tǒng)又分為多種調(diào)制，詳見(jiàn)書(shū)中表,1-1,。,按信號(hào)特征分類(lèi)：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng),按傳輸媒介分類(lèi)：有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng),按工作波段分類(lèi)：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信,按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用,第,1,章 緒論,1.3.2,通信方式,單工、半雙工和全雙工通信,單工,

6、通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?半雙工,通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)收,發(fā)的工作方式,全雙工,通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式,第,1,章 緒論,并行傳輸和串行傳輸,并行傳輸,：,將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸,優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快：不需要字符同步措施,缺點(diǎn)：需要,n,條通信線路，成本高,第,1,章 緒論,串行傳輸,：,將數(shù)字信號(hào)碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸,優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費(fèi)用,缺點(diǎn)：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施,其他分類(lèi)方式：,同步通信和異步通信,專(zhuān)線通信和網(wǎng)通信

7、,第,1,章 緒論,1.4,信息及其度量,信息,：是消息中包含的有效內(nèi)容,如何度量離散消息中所含的信息量,?,度量信息量的原則,能度量任何消息，并與消息的種類(lèi)無(wú)關(guān)。,度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無(wú)關(guān)。,消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定性有關(guān),【,例,】“,某客機(jī)墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。,上例表明：,消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。,第,1,章 緒論,度量信息量的方法,事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來(lái)描述：,消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。,設(shè)：,P,(,x,),消息發(fā)生的概率，,I,消息中所含的信息量，,則,P,(,x,),和,I

8、,之間應(yīng)該有如下關(guān)系：,I,是,P,(,x,),的函數(shù)：,I,I,P,(,x,),P,(,x,),，,I,；,P,(,x,),，,I,；,P,(,x,)=1,時(shí)，,I,0,；,P,(,x,)=0,時(shí)，,I,；,滿足上述,3,條件的關(guān)系式如下：,信息量的定義,第,1,章 緒論,上式中對(duì)數(shù)的底：,若,a,=2,，信息量的單位稱(chēng)為,比特,(bit),，可簡(jiǎn)記為,b,若,a,=,e,，信息量的單位稱(chēng)為奈特,(,nat,),，,若,a,=10,，信息量的單位稱(chēng)為哈特萊,(Hartley),。,通常廣泛使用的單位為比特，這時(shí)有,(b),【,例,】,設(shè)一個(gè)二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“,0”,或“,

9、1”,，則信源每個(gè)輸出的信息含量為,在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱(chēng)作,1,比特,第,1,章 緒論,若有,M,個(gè)等概率波形（,P,=1/,M,），且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，則傳送,M,進(jìn)制波形之一的信息量為,若,M,是,2,的整冪次，即,M,=2,k,，則有,當(dāng),M,=4,時(shí)，即,4,進(jìn)制波形，,I,=2,比特，,當(dāng),M,=8,時(shí)，即,8,進(jìn)制波形，,I,=3,比特。,第,1,章 緒論,對(duì)于非等概率情況,設(shè)：一個(gè)離散信源是由,M,個(gè)符號(hào)組成的集合，其中每個(gè)符號(hào),x,i,(,i,=1,2,3,M,),按一定的概率,P(,x,i,),獨(dú)立出現(xiàn)，即,且有,則,x,1,x,2,x,3,x,M,所

10、包含的信息量分別為,于是，每個(gè)符號(hào)所含平均信息量為,由于,H,(,x,),同熱力學(xué)中的熵形式相似，故稱(chēng)它為信息源的,熵,第,1,章 緒論,【,例,1,】,一離散信源由“,0”,，“,1”,，“,2”,，“,3”,四個(gè)符號(hào)組成，它們出現(xiàn)的概率分別為,3/8,，,1/4,，,1/4,，,1/8,，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某消息,2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210,的信息量。,【,解,】,此消息中，“,0”,出現(xiàn),23,次，“,1”,出現(xiàn),14,次，“,2”,出現(xiàn),13,次，“,3”,出現(xiàn),7,次，共有,57,

11、個(gè)符號(hào)，故該消息的信息量,每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為,第,1,章 緒論,若用熵的概念來(lái)計(jì)算：,則該消息的信息量,以上兩種結(jié)果略有差別的原因在于，它們平均處理方法不同。前一種按算數(shù)平均的方法，結(jié)果可能存在誤差。這種誤差將隨著消息序列中符號(hào)數(shù)的增加而減小。,當(dāng)消息序列較長(zhǎng)時(shí)，用熵的概念計(jì)算更為方便。,第,1,章 緒論,連續(xù)消息的信息量,關(guān)于連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數(shù)來(lái)描述?？梢宰C明，連續(xù)消息的平均信息量為,式中，,f,(,x,),連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。,第,1,章 緒論,1.5,通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo),通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：有效性和可靠性,有效性：指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘繒r(shí)所占用的信道資源（頻帶

12、寬度和時(shí)間間隔），或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題。,可靠性：指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。,模擬通信系統(tǒng)：,有效性：可用有效傳輸頻帶來(lái)度量。,可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來(lái)度量。,第,1,章 緒論,數(shù)字通信系統(tǒng),有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來(lái)衡量。,碼元傳輸速率,R,B,：定義為單位時(shí)間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（,Baud,），簡(jiǎn)記為,B,。,式中,T,碼元的持續(xù)時(shí)間（秒）,信息傳輸速率,R,b,：定義為單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位為比特,/,秒，簡(jiǎn)記為,b/s,，或,bps,第,1,章 緒論,碼元速率和信息速率的關(guān)系,或,對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)：,M,=2,，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。,對(duì)于多進(jìn)制，例如在八進(jìn)制（,M,=8,）中，若碼元速率為,1200 B,，則信息速率為,3600,b/s,。,第,1,章 緒論,頻帶利用率：定義為單位帶寬（,1,赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即,或,可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。,誤碼率,誤信率，又稱(chēng)誤比特率,在二進(jìn)制中有,第,1,章 緒論,1.6,小結(jié),通信的目的、電信發(fā)明史,通信系統(tǒng)的模型,數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)，基帶信號(hào)、已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)、頻帶信號(hào)）,數(shù)字通信特點(diǎn),通信系統(tǒng)分類(lèi),單工、半雙工、全雙工通信，并行傳輸和串行傳輸,信息及其度量,通信系統(tǒng)的有效性和可靠性,